Einsatz von Pflanzen zur Entfernung von Schadstoffen aus Boden und Grundwasser (Phytoremediation-Verfahren)

Phytoremediation bezieht sich auf die Verwendung von Pflanzen, um Schadstoffe aus Boden und Grundwasser zu entfernen oder den Abbau von Schadstoffen zu einer weniger toxischen Form zu unterstützen.

Einige Pflanzen sind in der Lage, bestimmte Elemente aus der Umgebung zu extrahieren und zu konzentrieren, wodurch eine dauerhafte Sanierung möglich ist. Das Pflanzengewebe, das reich an angesammelten Verunreinigungen ist, kann geerntet und sicher verarbeitet werden.

Eine Sanierung findet auch statt, wenn Bakterien an den Wurzeln der Pflanze Schadstoffspezies abbauen oder wenn die Wurzeln kontaminierte Bodenfeuchtigkeit näher an die Oberfläche ziehen, wodurch kontaminierte Spezies Mikroben in einer sauerstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt wird. Einige der Techniken werden in diesem Abschnitt vorgestellt. Sie sind wie folgt:

1. Phytoextraktion:

Die Verwendung von Pflanzen, um Verunreinigungen aus der Umgebung zu entfernen und sie in oberirdischem Pflanzengewebe zu konzentrieren, wird als Phytoextraktion bezeichnet.

Anwendbarkeit:

Die Phytoextraktion wurde hauptsächlich zur Rückgewinnung von Schwermetallen aus Böden eingesetzt. Diese Technologie ist jedoch auf andere Materialien in verschiedenen Medien anwendbar. Hydroponische Systeme auf Gewächshausbasis, bei denen Pflanzen mit hoher Schadstoffwurzelaufnahme und schlechter Translokation zu den Sprossen verwendet werden, werden derzeit zur Entfernung von Schwermetallen und Radionukliden aus Wasser erforscht.

Diese Pflanzen werden auch als Hyperakkumulatoren bezeichnet. Pflanzen mit hohen Wachstumsraten (> 3 Tonnen Trockensubstanz / Hektar-Jahr) und der Fähigkeit, hohe Metallkonzentrationen in erntbaren Pflanzenteilen (> 1.000 mg / kg) zu tolerieren, sind für eine praktikable Behandlung erforderlich.

Einschränkungen:

Die effektive Extraktion toxischer Metalle durch Hyperakkumulatoren ist auf flache Bodentiefen von bis zu 24 Zoll beschränkt. Wenn die Kontamination in wesentlich größeren Tiefen (z. B. 6 bis 10 Fuß) erfolgt, können tief verwurzelte Pappeln verwendet werden, jedoch gibt es Bedenken hinsichtlich Laubstreu und damit verbundenen toxischen Rückständen.

Gegenwärtig verfügbare Hyperakkumulatoren haben trotz der liebenswerten metallakkumulierenden Eigenschaften keine geeignete Biomasseproduktion, physiologische Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Klimabedingungen und Anpassungsfähigkeit an aktuelle agronomische Techniken.

2. Phytostabilisierung:

Phytostabilisierung beinhaltet die Verringerung der Mobilität von Schwermetallen im Boden. Die Immobilisierung von Metallen kann erreicht werden, indem der durch den Wind aufgewirbelte Staub verringert wird, die Bodenerosion minimiert wird und die Löslichkeit von Verunreinigungen oder die Bioverfügbarkeit der Nahrungskette verringert wird. Die Zugabe von Bodenergänzungen wie organischen Stoffen, Phosphaten, Alkalisierungsmitteln und Bio-Feststoffen kann die Löslichkeit von Metallen im Boden verringern und die Auswaschung in das Grundwasser minimieren.

Die Mobilität von Kontaminanten wird durch Ansammlung von Kontaminanten durch Pflanzenwurzeln, Absorption an Wurzeln oder Niederschlag innerhalb der Wurzelzone verringert. In einigen Fällen kann eine hydraulische Steuerung zur Verhinderung der Sickerwasserwanderung aufgrund der großen Wassermenge erreicht werden, die von den Pflanzen durchströmt wird.

Anwendbarkeit:

Die Verwendung von Phytostabilisierung, um Metalle an ihrem derzeitigen Ort zu halten, ist besonders attraktiv, wenn andere Verfahren zur Sanierung großflächiger Bereiche mit geringer Kontamination nicht möglich sind. Die Sanierung ist an Orten mit hoher Metallkonzentration aufgrund der Bodentoxizität schwierig. Pflanzen sollten in der Lage sein, hohe Mengen an Kontaminanten zu tolerieren, eine hohe Produktion von Wurzelbiomasse mit der Fähigkeit zur Immobilisierung von Kontaminanten und die Fähigkeit, Kontaminanten in den Wurzeln zu halten, zu produzieren.

Einschränkungen:

Die Phytostabilisierung ist an Stellen mit geringer Kontamination und an Orten, an denen die Kontamination relativ gering ist, nützlich. Pflanzen, die Schwermetalle in den Wurzeln und in der Wurzelzone ansammeln, sind typischerweise in Tiefen von bis zu 24 Zoll wirksam. Metalle, die in Pflanzen leicht in Blätter überführt werden, können die Anwendbarkeit der Phytostabilisierung aufgrund möglicher Auswirkungen auf die Nahrungskette einschränken.

3. Phytostimulation:

Phytostimulation, auch als verstärkter biologischer Abbau von Rhizosphäre, Rhizodegradation oder pflanzengestützter Bioremediation / Abbau bezeichnet, ist der Abbau organischer Verunreinigungen im Boden durch verstärkte mikrobielle Aktivität in der Wurzelzone der Pflanzen oder in der Rhizosphäre. Die mikrobielle Aktivität wird in der Rhizosphäre auf verschiedene Weise stimuliert: 1. Verbindungen, wie Zucker, Kohlenhydrate, Aminosäuren, Acetate und Enzyme, die von den Wurzeln ausgeschieden werden, reichern die Populationen von einheimischen Mikroben an; 2. Wurzelsysteme bringen Sauerstoff in die Rhizosphäre, wodurch aerobe Umwandlungen sichergestellt werden; 3 Feinwurzelbiomasse erhöht den verfügbaren organischen Kohlenstoff; 4. Mykorrhizapilze, die in der Rhizosphäre wachsen, können organische Verunreinigungen abbauen, die aufgrund einzigartiger enzymatischer Wege nicht allein durch Bakterien umgewandelt werden können. und 5. der Lebensraum für erhöhte mikrobielle Populationen und Aktivität wird durch Pflanzen erhöht.

Anwendbarkeit:

Dieses Verfahren eignet sich zur Entfernung von organischen Verunreinigungen wie Pestiziden, Aromaten und mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) aus Böden und Sedimenten. Chlorbehandelte Lösungsmittel wurden auch auf Demonstrationsstandorte abgezielt.

Einschränkungen:

Die Standorte, an denen die Phytostimulation durchgeführt werden soll, sollten in flachen Bereichen eine geringe Kontamination aufweisen. Hohe Schadstoffkonzentrationen können für Pflanzen giftig sein.

4. Phytotransformation:

Phytotransformation, auch als Phytodegradation bezeichnet, ist der Abbau organischer Kontaminanten, die von Pflanzen durch folgende Stoffe abgesondert werden: (1) Stoffwechselprozesse innerhalb der Pflanze; oder (2) die Wirkung von Verbindungen wie Enzymen, die von der Pflanze produziert werden. Die organischen Kontaminanten werden zu einfacheren Verbindungen abgebaut, die in das Pflanzengewebe integriert sind, was wiederum das Pflanzenwachstum fördert. Die Sanierung einer Stelle durch Phytotransformation hängt von der direkten Aufnahme von Kontaminanten aus den Medien und der Anhäufung in der Vegetation ab.

Die Freisetzung flüchtiger Kontaminanten in die Atmosphäre durch Phytovolatilisierung, eine Transpiration der Pflanze, ist eine Form der Phytotransformation. Obwohl die Übertragung von Schadstoffen in die Atmosphäre möglicherweise nicht das Ziel einer vollständigen Sanierung erreicht, kann die Phytovolatilisierung insofern wünschenswert sein, als eine längere Bodenbelastung und das Risiko einer Grundwasserverschmutzung verringert werden.

Anwendbarkeit:

Phytotransformation kann eingesetzt werden, um Stellen zu reparieren, die mit organischen Verbindungen kontaminiert sind. Bestimmte Enzyme, die von Pflanzen produziert werden, können chlorierte Lösungsmittel (z. B. Trichlorethylen), Munitionsabfälle und Herbizide abbauen und umsetzen. Diese Technologie kann auch verwendet werden, um Verunreinigungen aus petrochemischen Standorten und Lagerbereichen, ausgetretenen Kraftstoff, Deponiesickerwasser und Agrochemikalien zu entfernen.

Die erfolgreiche Implementierung dieser Technologie erfordert, dass die transformierten Verbindungen, die sich in der Anlage anreichern, nicht toxisch oder deutlich weniger toxisch sind als die Stammverbindungen. In einigen Anwendungen kann die Phytotransformation zusammen mit anderen Aufbereitungstechnologien oder als Polierbehandlung verwendet werden.

Einschränkungen:

Diese Technologie erfordert normalerweise mehr als eine Wachstumsperiode, um effizient zu sein. Der Boden muss weniger als 3 m tief sein und das Grundwasser darf höchstens 10 m von der Oberfläche entfernt sein. Verunreinigungen können immer noch durch Tiere oder Insekten, die Pflanzenmaterial fressen, in die Nahrungskette gelangen. Bodenanpassungen können erforderlich sein, einschließlich Chelatbildnern, um die Aufnahme von Pflanzen zu erleichtern, indem Bindungen aufgebrochen werden, die Verunreinigungen an Bodenteilchen binden.

5. Rhizofiltration:

Rhizofiltration bezieht sich auf die Verwendung von Pflanzenwurzeln, um giftige Metalle aus kontaminiertem Grundwasser zu absorbieren, zu konzentrieren und auszufällen. Geeignete Pflanzen mit stabilen Wurzelsystemen werden zunächst mit kontaminiertem Wasser versorgt, um die Pflanzen zu akklimatisieren. Diese Pflanzen werden dann an die kontaminierte Stelle gebracht, um die Schadstoffe zu sammeln, und sobald die Wurzeln gesättigt sind, werden sie geerntet. Die Rhizofiltration ermöglicht eine In-situ-Behandlung und minimiert so die Beeinträchtigung der Umgebung.

Anwendbarkeit:

Eine für Rhizofiltrationsanwendungen geeignete Anlage kann mit ihrem schnellwurzelnden Wurzelsystem giftige Metalle über einen längeren Zeitraum aus der Lösung entfernen. Es wurde gefunden, dass verschiedene Pflanzenspezies toxische Metalle wie Cu (2+), Cd (2+), Cr (6+), Ni (2+), Pb (2+) und Zn (2+) effektiv aus wässrigem entfernen Lösungen. Geringe radioaktive Verunreinigungen können auch aus Flüssigkeitsströmen entfernt werden.

Einschränkungen:

Die Rhizofiltration ist besonders bei Anwendungen mit geringen Konzentrationen und großen Wassermengen wirksam. Pflanzen, die effizient Metalle in die Sprosse versetzen, sollten nicht zur Rhizofiltration verwendet werden, da mehr kontaminierte Pflanzenrückstände erzeugt werden.

6. Konstruierte Feuchtgebiete:

Konstruierte Feuchtgebiete sind künstlich hergestellte Ökosysteme, die speziell für die Behandlung von Abwasser, Minendrainage und anderen Gewässern entwickelt wurden, indem die biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse in natürlichen Feuchtgebietssystemen optimiert werden. Konstruierte Feuchtgebiete können das Abwasser effektiv, wirtschaftlich und umweltgerecht behandeln sowie als Lebensraum für Wildtiere dienen.

Konstruierte Feuchtgebietssysteme werden in drei Haupttypen gruppiert: Freiflächen (FWS), Untergrundströmungssysteme (SFS) oder Wasserpflanzenanlagen (APS). FWS-Systeme oder Bodensubstratsysteme bestehen aus Wasserpflanzen, die in einem Bodensubstrat innerhalb eines erdeten Beckens wurzeln, das je nach Bodendurchlässigkeit und Grundwasserschutzanforderungen ausgekleidet sein kann oder nicht.

FWS-Systeme sind so konzipiert, dass sie vorbehandeltes Abwasser mit niedriger Geschwindigkeit im Pfropfenfluss, über der Oberfläche des Bodenmediums oder in einer Tiefe zwischen 1 und 18 Zoll aufnehmen können. Bei SFS handelt es sich in der Regel um Kiesesubstrat-Systeme, die FWS-Systemen ähneln. Die aquatische Vegetation wird jedoch in Kies oder Schotter gepflanzt, und Abwasserströme befinden sich ungefähr 6 Zoll unter der Oberfläche des Mediums.

Das Aggregat hat typischerweise eine Tiefe zwischen 12 und 24 Zoll. In SFS ist keine sichtbare Oberflächenströmung zu erkennen. APS ähneln FWS-Systemen, das Wasser befindet sich jedoch in tieferen Teichen und es werden schwimmende Wasserpflanzen oder Unterwasserpflanzen verwendet.

Anwendbarkeit:

Konstruierte Feuchtgebiete können zur Behandlung von kommunalem Abwasser, landwirtschaftlichem Abfluss, Minendrainage und anderen Abwässern verwendet werden. Der biochemische Sauerstoffbedarf (BOD) und die Gesamtmenge an suspendierten Feststoffen (TSS) werden durch diese künstlichen Feuchtgebietssysteme effektiv reduziert.

Einschränkungen:

Technische Leitlinien für die Planung und den Betrieb von Feuchtgebieten sind möglicherweise begrenzt, da keine langfristigen Betriebsdaten vorliegen. Mögliche saisonale Schwankungen und Auswirkungen auf die Tierwelt können sich negativ auf den Systembetrieb bzw. die Sicherung von Genehmigungen auswirken. Es sind relativ große Flurstücke erforderlich, und der Wasserverbrauch ist aufgrund der großen Verdunstungsrate groß.